Конечная стадия эволюции звезд

 

На стадии красного гиганта звезда теряет вещество - происходит сброс оболочки,  разлетающейся со скоростью 20-40 км/сек и наблюдаемой как планетарная туманность. Планетарные туманности обогащают межзвездную среду химическими элементами. Постепенно красный гигант исчерпывает термоядерные источники энергии и теряет массу. Дальнейшая судьба зависит от массы ядра.

Белый карлик (кристаллические звезды). Им становится звезда с массой ядра менее предела Чандрасекара - 1.4 массы Солнца (предел массы белого карлика). Это стационарное, равновесное состояние. В нем не происходит ядерных реакций. Белый карлик постепенно остывает до желтого, красного и черного карлика. Это гигантский кристалл из атомных ядер, имеющий радиус, примерно равный радиусу Земли, и очень большую плотность 10⁸-10¹⁰ г/см³ (плотность тел, состоящих из атомов не превышает 20 г/см³). Радиус карлика лежит в пределах 0.02-0.005 радиуса Солнца - около 1000 км.

Белый карлик появляется, когда красный гигант сбрасывает свои поверхностные слои, образующие планетарную туманность. Этот процесс не носит взрывного характера. Вещество белого карлика находится в состоянии кристаллической решетки из ядер и вырожденного электронного газа, давление которого, обусловленное квантовым принципом Паули, сдерживает гравитацию.

Белый карлик может быть гелиевым, углеродно-кислородным, магниевым и даже железным – зависит от первоначальной массы звезды и того, сколько массы она потеряла в процессе эволюции.

Если белый карлик входит в двойную систему, то на него может перетекать вещество звезды-спутницы. Когда масса вещества достигает критического уровня, вспыхивают термоядерные реакции. Возникает вспышка новой или сверхновой звезды. Вспышка новой звезды не приводит к изменению структуры звезды (участвуют только поверхностные слои). За несколько суток блеск звезды увеличивается в тысячи и миллионы раз. Выделяется энергия порядка 10⁴⁵-10⁴⁶ эрг.

Эволюция малых звезд. Если масса звезды находится в пределах 0.08-0.26 массы Солнца, то протонные реакции заканчиваются на образовании He³. Звезды с массой 0.05-0.08 массы Солнца, минуя стадию термоядерных реакций (температура внутри них не достигает 8 млн градусов), сразу переходят в состояние водородных вырожденных красных карликов.

Нейтронная звезда - конечный результат эволюции звезд с массой более 8-10 масс Солнца. При массе ядра более 1.4 массы Солнца давление вырожденного электронного газа белого карлика не в состоянии сдержать силу тяготения. Начинается быстрый гравитационный коллапс ядра звезды. Если масса ядра не более 3 масс Солнца (предел Оппенгеймера-Волкова), то давление вещества останавливает коллапс из-за нейтронизации ядра – вырожденные электроны поглощаются (вдавливаются) ядрами химических элементов. После резкого коллапса ядра оболочка падает на него и возникает ударная волна. При этом за время около 1 секунды выделяется громадная энергия, которая разбрасывает оболочку звезды. Происходит взрыв значительной части звезды - вспышка сверхновой с образованием газовой туманности. В ядре происходит всплеск рождения нейтрино, добавляющих мощи ударной волне.

Вспышка сверхновой – это величайшая катастрофа. Во время вспышки выделяется столько энергии, сколько выделяет вся галактика или сколько Солнце излучило за 5 млрд лет своего существования. Выделяют сверхновые 1-го и 2-го типов. Сверхновая 1-го типа образуется при взрыве белого карлика в двойной системе, когда на него перетекает вещество соседней звезды и его масса достигнет 1.4 массы Солнца. Сверхновые 1-го типа выделяют практически одинаковое количество энергии – 10⁵¹ эрг. Поэтому их используют для определения расстояния до галактик, в которых произошла вспышка. Масса оболочки, сброшенной сверхновой 2-го типа может быть больше в несколько раз массы Солнца.

Возможность существования нейтронных звезд была предсказана российским физиком Л.Ландау в 1932 году вслед за открытием нейтрона. Типичная нейтронная звезда имеет радиус 10-18 км и огромную плотность, соизмеримую с плотностью атомного ядра 10¹⁴–10¹⁵ г/см³. Образно ее можно назвать гигантским атомным ядром. Но есть и различия – в атомном ядре гравитация не существенна.

Ядро нейтронной звезды состоит из вырожденной сверхтекучей нейтронной жидкости. Верхний слой ядра – твердая кора из железа (с примесью хрома, никеля, кобальта и др.) и вырожденных электронов. После своего образования нейтронная звезда имеет очень высокую температуру – порядка миллиарда градусов, но быстро остывает.

Характерная особенность нейтронных звезд – высокая скорость вращения (может быть близкой к скорости света) и гигантская напряженность магнитного поля (до десятков миллиардов эрстед). Магнитная ось нейтронной звезды, как правило, не совпадает с осью вращения, поэтому нейтронные звезды были обнаружены в 1967 году в виде импульсных источников электромагнитного излучения – пульсаров, называемых маяками Вселенной.

Черная дыра (термин Джона Уилера, 1968) – звезда с непреодолимой силой тяготения. Если масса ядра умирающей звезды больше 3 масс Солнца, то уже ничто не может предотвратить гравитационный коллапс – звезда как бы взрывается внутрь, превращаясь в черную дыру (сингулярное состояние вещества).

Первая модель черной дыры построена в 1916 году на основе ОТО К.Шварцшильдом. Черная дыра – это область пространства-времени, в которой поле тяготения настолько сильно, что скорость ее преодоления (вторая космическая скорость) должна превышать скорость света. Для этого масса должна сжаться до объема меньше гравитационного радиуса r =2 G М/ c ². Для Солнца, например, r≈3 км, а для Земли – 0.8 см. Сфера гравитационного радиуса называется сферой Шварцшильда, поверхность сферы называется горизонтом событий – область, за которую ничего не выходит.

Черные дыры, подобно элементарным частицам, обладают массой, зарядом и моментом количества движения. Между черными дырами и элементарными частицами могут существовать глубинные связи, возможно взаимопревращения. Суперструнная теория представляет их как две фазы одной струнной материи.

Наблюдается не черная дыра, а выпадение на нее вещества (аккреция). При этом кандидат в черную дыру не должен иметь признаки нейтронной звезды (пульсара – нейтронной звезды, в которой ось вращения не совпадает с осью магнитного поля).

Черные дыры теряют массу за счет испарения с ее поверхности элементарных частиц, рождаемых сильным полем тяготения. Продолжительность жизни черной дыры пропорциональна кубу радиуса. Например, дыра в 10 масс Солнца испарится за 10⁶⁹ лет.

Эйнштейн и Фейнман не верили в реальность черных дыр. Некоторые неэйнштейновские теории гравитации отрицают искривление пространства-времени и существовании черных дыр.

Эволюция Вселенной

 

Началом современной космологии считается создание в 1917 году Эйнштейном стационарной релятивистской космологической модели. В ее основу легла ОТО, хотя статическое пространство не является ее решением. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Вселенная безгранична, но замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем, вернется к нему с противоположной стороны Вселенной. Время бесконечно, но не влияет на свойства Вселенной.

В 1922 году российский математик и физик А.Фридман выступил с критикой этой теории. Согласно Фридману пространство и время взаимосвязаны и зависят от материи. Он выдвинул принцип нестационарности Вселенной, согласно которому пространство не может быть постоянным, его кривизна меняется во времени. Из ОТО следовало два варианта развития Вселенной в зависимости от плотности вещества. Неограниченное расширение, если средняя плотность Вселенной меньше критической; периодическое расширение и сжатие, если плотность равна или больше критической. Эйнштейн не сразу, но согласился с критикой.

Решение Фридмана, продолженное в прошлое, дает состояние бесконечной плотности. В 1927 году Ж.Леметр предложил это состояние сингулярности как исходное состояние Вселенной. Он предположил, что первоначальный радиус Вселенной был 10^-12 см (близким к размерам электрона), а плотность 10⁹⁶ г/см³. В 1965 году С.Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

В 1929 году Э.Хаббл обнаружил эффект красного смещения излучения галактик, что подтверждало их разбегание. Это открытие убедительно доказывало теорию расширяющейся Вселенной.

В 1948-1956 годы начался новый этап в развитии космологии. Дж.Гамовым была предложена модель горячей Вселенной (гипотеза Большого взрыва). Момент начала времени Вселенной называется Большим взрывом. В этой теории Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности.

Цель заключалась в том, чтобы прогнозируя ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемое в настоящее время соотношение химических элементов. Когда температуры были очень высоки, рождались разные частицы. По мере расширения температура падала и тяжелые частицы «вымирали», а синтез элементов ограничивался легкими элементами. Через три минуты расширения вещество состояло из 75% водорода и 25% гелия.

Теория предсказала существование в нашу эпоху фонового реликтового излучения Вселенной – остатка энергии Большого взрыва. На ранней стадии расширения почти вся плотность массы Вселенной определялась реликтовым излучением (плотность вещества меняется пропорционально R³, а излучения - пропорционально R⁴, т.к. у квантов меняется еще и энергия). Экспериментальным подтверждением модели горячей Вселенной явилось обнаружение реликтового излучения в 1965 году. Это фотоны и нейтрино, остывшие до 2.7 К (400-500 фотонов на см³).

Но теория не отвечала на вопросы о причинах Большого взрыва, асимметрии вещества и антивещества и др. В 1980 году группа отечественных и зарубежных физиков (А.Старобинский, А.Гут, А.Линде и др.) предложила модель инфляционной Вселенной. Здесь причины Большого Взрыва объяснялись состоянием космического вакуума. Модель принципиально не противоречит теории Большого взрыва, а дополняет ее. Она описывает Вселенную с момента10^-43 сек в три этапа: сингулярность, инфляция, Большой взрыв.

Начальным состоянием Вселенной является вакуум, состояние квантовой гравитации, описываемое величинами «планковского масштаба»: энергии 10¹⁹ ГэВ, длины 10^-50 см, времени 10^-43 сек, плотности 10⁹⁶ г/см³. Возникшая в 10^-43 сек сингулярность есть квантовая флуктуация вакуума. Радиус Вселенной в этот момент составлял 10^-50 см. В возбужденном вакууме (состояние ложного вакуума) в процессе рождения и уничтожения виртуальных частиц возникла огромная сила космического отталкивания, которая привела к ультрарелятивистскому процессу раздувания «пузырей» - зародышей вселенных. Виртуальные частицы не подчиняются запрету Паули: в одной точке фазового пространства их может находиться бесконечно много – это источник неисчерпаемой энергии.

Раздувание, значительно превосходившее скорость света, назвали инфляцией. На фазе инфляции в промежутке 10^-43-10^-34 секунды сформировались пространственно-временные характеристики нашей Вселенной. Примерно за 10^-34 сек Вселенная раздулась в громадный шар с размерами намного больше Метагалактики (наблюдаемой области Вселенной). Метагалактика имеет размер 10²⁸ см. Но это не противоречит СТО, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе и излучении, которые к тому времени еще не образовались. В настоящее время Вселенная раздулась до размеров 10^{1 000 000} см. Масса Вселенной составляет 10⁵⁸ г.

Сила, образовавшая Вселенную, ̶ суперсила (супергравитация) ̶ объединяла четыре фундаментальных взаимодействия. Возможно, это суперструнная сила. После фазы инфляции она распалась. Образование фундаментальных частиц – кварков и лептонов – единовременно связано с образованием типов их взаимодействий. Эволюция Вселенной есть переход от более высокой к более низкой симметрии (асимметрии), чередование порядка и хаоса.

На фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Примерно через 10^-34 сек после начала расширения ложный вакуум из-за неустойчивости распался, и силы космического отталкивания иссякли и началась эволюция горячей Вселенной. Огромные запасы энергии вакуума высвободились в виде 10¹⁹ ГэВ (Большой взрыв), мгновенно нагрев Вселенную до температуры Т=10³² К. В настоящее время остатки этого излучения наблюдаются как реликтовое - его изучение позволяет заглянуть в прошлое до 10^-30 сек от начала.

Благодаря энергии Большого взрыва энергия частиц достигала 10¹⁹ ГэВ. В этот период вещество существовало в виде виртуально-плазменной смеси вещества и антивещества - кварков и лептонов. Затем Вселенная стала остывать, проходя фазовые переходы, где последовательно обособлялись гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Таким образом, Большой взрыв характеризует Вселенную не в момент перехода из сингулярного состояния, а в момент перехода из холодного в горячее состояние.

Когда фаза инфляции закончилась Большим взрывом (Т=10³² К, 10¹⁹ ГэВ, t═10^-34 сек), произошел первый фазовый переход: от суперсилы отделилась гравитация. Вещество и антивещество аннигилировали (уничтожались) и одновременно распадались. Однако распад частиц и античастиц шел по-разному. Образовалось преобладание (антисимметрия) вещества над антивеществом - на 1 млрд. античастиц было 1 млрд. плюс одна частица вещества. Избыточное вещество стало материалом нашей Вселенной. Вселенная представляла кварк-лептонную плазму. При той температуре лептоны и кварки были неразличимы, свободно превращаясь друг в друга. Роль частицы-посредника выполнял Х-бозон массой 10¹⁴ m_p.

Новый фазовый переход (Т=10¹⁵ К, 10¹⁴ ГэВ, 10^-12 сек): отделилось сильное взаимодействие. Х-бозон распался на глюоны и безмассовый бозон – переносчик электрослабого взаимодействия. Обрели массу покоя кварки и лептоны, которые стали различимыми. Они являются реликтами этой эпохи.

Следующий фазовый переход произошел при Т=10¹³ К, 10³ ГэВ, 10^-5 сек – разделилось электрослабое взаимодействие. Электрослабый бозон разделился на фотон и переносчиков слабого взаимодействия. Образовались фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы в их современной форме. Кварки объединились в адроны и начался первичный нуклеосинтез – синтез ядер гелия.

Будущее Вселенной

 

В космологических моделях Фридмана предполагалось, что судьба Вселенной определяется борьбой двух противоположных сил – тяготения и кинетической энергии, полученной веществом в момент Большого взрыва. Критическая плотность вещества во Вселенной: ρ═3 H ²/8π G ≈2×10^-29 г/см³, где H – постоянная Хаббла, G – гравитационная постоянная. Если плотность вещества Вселенной больше или равна критической, то Вселенная периодически будет расширяться-сжиматься. Исходя из общей массы Вселенной (10⁵⁸ г.) полный цикл равен 100 млрд. лет. При переходе от одного цикла к другому могут изменяться физические константы. Рост энтропии требует уменьшения продолжительности циклов.

Если Вселенная будет бесконечно расширяться, через 10¹⁵ лет планеты начнут отрываться от звезд, звезды от галактик. Через 10¹⁹ лет галактики распадутся, а звезды погибнут - превратятся в черные дыры, нейтронные звезды и черные карлики.

 Если протон распадается, то через 10³³ лет Вселенная будет состоять из черных дыр, нейтрино и фотонов. Через 10⁹⁶ лет черные дыры испарятся и останутся фотоны ничтожной плотности и энергии (смерть Вселенной, возврат в физический вакуум).

Если протон не распадается, то примерно через 10¹⁵⁰⁰ лет звезды, не превратившиеся в черные дыры, остывая, станут нейтронными, а через  лет они превратятся в черные дыры, которые за 10⁶⁷ лет испарятся и останутся фотоны и нейтрино почти нулевой плотности.

Открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной подтвердило открытую космологическую модель. Наблюдения сверхновых звезд показали, что только первые 6-8 млрд лет Вселенная расширялась с замедлением. Таким образом, модели Фридмана описывают состояние Вселенной лишь первые 6-8 млрд лет.

Данные 2003 года показывают, что возраст Вселенной 13.7 млрд лет и пространство плоское. Примерно такой же возраст самых старых минералов, упавших на Землю из Космоса. Кривизна пространства, определяемая как отношение средней плотности вещества к критической, близка к 1, что характеризует плоскую Вселенную.

Антигравитация. Ученые пришли к выводу, что ускоренное расширение осуществляется за счет силы всемирного отталкивания – антигравитации, получившей название темной энергии, которая начала проявлять себя 5-7 млрд лет назад. В конце концов, действие темной энергии разорвет Вселенную, вещество которой разлетится со скоростью превышающей скорость света.

Источником антигравитации является космический вакуум. Во-первых, плотность космического вакуума одинакова в пространстве, постоянна во времени и не зависит от расширения Вселенной. Во-вторых, обладая положительной плотностью, космический вакуум обладает отрицательным давлением (этим свойством не обладают другие виды материи). Поэтому космический вакуум вызывает отталкивание. В-третьих, плотность космического вакуума не только не равна нулю, но и, похоже, превосходит плотность энергии всех остальных форм материи вместе взятых. По подсчетам на вакуум приходится около 67% энергии Вселенной, на темную материю (не взаимодействует с обычным веществом) – 29%, на обычное вещество (барионное, т.е. состоящее из протонов и нейтронов) – 4%, на излучение (фотоны, нейтрино, возможно, гравитоны и др.) – 0,03%. В-четвертых, космический вакуум не излучает электромагнитных волн (поэтому его и называют темной энергией). В-пятых, согласно теоретическим представлениям, он способен влиять на все остальные формы материи, а также на пространство и время, но при этом сам не испытывает их влияния. В частности, влияя на гравитацию, вакуум сам не поддается гравитационному воздействию.

По-видимому, на начальных этапах эволюции Вселенной плотность вещества превышала плотность вакуума, поэтому тяготение преобладало над отталкиванием, а расширение осуществлялось с замедлением. Если не проявятся какие-то неизвестные силы, будущее Вселенной будет определяться свойствами вакуума. Предполагается, что космический и физический вакуум (из квантовой механики) совпадают. Наука только начинает разбираться в свойствах вакуума.